肖特基二极管氢气传感器的试验研究

引 言
随着化石能源诸如石油、煤炭造成的环境污染问题日 益严重，人们越来越重视新能源特别是可再生能源的开发， 氢气是一种新的清洁型能源，具有来源广泛，无污染等很多优点，备受产业界和学术界的关注。氢气在燃料电池、氢能 汽车方面的应用日益广泛，但是其存在易泄露、易燃易爆等 风险，为了解决这个难题，北京中惠普氢气发生器开发检测氢气的方法，其中氢气传感器是最受重视的，因其具有体积小、重量 小、成本低、响应快、可实时监测的特点，具有很大的市场占有量。

氢气传感器的研究受到了广泛关注，并相继推出了不 同类型的氢气传感器。按照工作原理可分为催化燃烧型、 半导体型、金属和合金电阻型、光学型、电化学型、肖 特基二极管型等，每种传感器都有其优点和缺点。肖特基 二极管氢气传感器是一种新型的氢气传感器，具有工作温度低、选择性好的特点，且可以利用微加工技术实现批量制造，可确保同一批次传感器的均一性和互换性。由于肖特基二极管氢气传感器的诸多优点，国内外研究者展开了广泛的研究。钟德刚等人采用 NO 直接氧化制备氮氧 化物，并以该氮氧化物作为绝缘层制备高性能 Si 基 MOS 肖特基二极管式气体传感器，结果显示，传感器灵敏度高、 重复性好、检测极限低，可以检测浓度约为99.999的氢气。 北京中惠普分析技术研究所通过溅射的方法制作了 Pt /AlGaN/GaN 背对 背肖特基二极管，测试了该器件对氢气的响应，发现空气中 的氧气对于器件电流的恢复有重要的作用。

工作原理
肖特基二极管氢气传感器是一种功函数型传感器，其 工作原理是金属( Pt、Pd 等) 表面对氢气分子进行吸附，并催化使氢气分子发生解离变成氢原子，氢原子扩散到金属层内部，降低了金属的功函数，导致肖特基势垒高度下降， 使二极管的电流/电压曲线发生漂移，正向电流增加。当环境中的氢气和扩散到金属层中的氢气达到平衡，肖特基二极管的 I/V 曲线漂移与氢气浓度成一定比例关系，从而达到检测的目的。
试验过程
2． 1 器件制作过程 本试验采用基片为市售的双面( 100) 氧化硅片，二氧化硅氧化层厚度为 300 nm，导电类型为 n 型，电阻为 0． 01～ 0． 09 Ω·m。先通过光刻、腐蚀等工艺在硅片一面形成预 设图形，再通过溅射工艺在图形表面附着金属敏感层，形成 肖特基二极管膜层。
2． 2 气敏性能测试过程 试验装置由标准气源、流量控制器、测试装置构成。标 准气源由气体供应厂家配制，本试验选 3 个浓度点: 10 × 10 － 6 ，5 000 × 10 － 6 ，10 000 × 10 － 6 。气体流量计为浮子流量 计，本试验控制流量为 200 mL/min。测试装置包括供电电 源、肖特基二极管氢气传感器安装腔室和电化学工作站，其 中供电电源可实现对肖特基二极管膜层和加热器分别供 电; 电化学工作站可实现肖特基二极管电流/电压信号曲线 的扫描及采集，扫描速率为 0． 01 V/s。安装腔室用于固定 氢气传感器，并通过管道与流量计接通。

结果与讨论
随着加热功率的逐渐增加，传感器在同一 偏置电压和环境气氛中的输出逐渐升高，符合式( 1) 所体 现的趋势。可见传感器工作时，加热温度越高，则输出越 大，但随着加热功率的增大，传感器总功率会增大，不利于 传感器低功耗应用的要求，因此，在进行敏感性能测试时选 择加热功率为 1． 7 W。
试验中设定传感器的加热功率为 1． 7 W，分别测试了 氢气浓度在 10 × 10 － 6 ，5 000 × 10 － 6 ，10 000 × 10 － 6 三个浓度 时的输出，肖特基二极管传感器在不同浓度氢气气氛下的 输出曲线。

结 论
实验表明: 以 n 型双面氧化硅片为衬底，通过溅射工艺 和厚膜工艺制备的肖特基二极管氢气传感器对氢气具有较 好的响应特性，其测量范围为( 0～ 10 000) × 10 － 6 ，该类型传感器采用半导体工艺制造作，具有测量范围宽、批次性好的 优势，具有广阔的应用前景。